通信專業(yè)高性能路由器內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

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7.5.6 高性能路由器內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
髙性能大型路由器內(nèi)部通常都包含許多交換單元，這些交換單元可以是較小規(guī)模的獨立路由器，也可以是基本的交換模塊。它們通過內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)（Interconnection Network)連接在一起。內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)的性能直接影響路由器的整體交換能力。
路由器的內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)除了將多個路由器或交換模塊連接在一起之外，還需要提供髙速的交換能力。內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)有兩個重要的性能指標(biāo)，一個是可擴展能力，另一個是交換性能。目前，內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)有多種，如單級多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多級交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和并行交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。下面分別簡單介紹這幾種比較常見的內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
　　1.單級多維直接互連網(wǎng)絡(luò)
本節(jié)介紹兩種實際應(yīng)用的單級多維直接互連網(wǎng)絡(luò)，它們是：多維環(huán)型網(wǎng)絡(luò)（Torus)和超立方體網(wǎng)絡(luò)（Hypercube)。
環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7-53所示。圖中分別在不同維度上給出環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，最后一個是4x3x2的三維環(huán)型結(jié)構(gòu)（3D-TomS)。圖中的小圓圈代表單獨的路由器節(jié)點。從圖中可以看出，每個路由器節(jié)點最多與6個鄰居節(jié)點相連。

超立方體網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)是2元；l(n-3)維立方體網(wǎng)絡(luò)，它有n個維度，每一維上均含有2個節(jié)點，每維距離最長的節(jié)點之間不環(huán)接。圖7-54表示的是一個2元4維超立方體網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖。

這兩種拓撲結(jié)構(gòu)具有良好的規(guī)則性和可擴展性。系統(tǒng)的復(fù)雜度隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大而線性增加。采用這種結(jié)構(gòu)的路由器集群，各個節(jié)點相互獨立，它們之間不需要另加交換板。在機柜之間只通過簡單線路來連接，大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時可以達到理論上的無限擴展。而在傳統(tǒng)的Gbit/s級路由器中，通常都有專用的交換板負責(zé)板間的數(shù)據(jù)交換，這能夠提高系統(tǒng)的性能，但同時限制了系統(tǒng)的可擴展能力。
2.多級交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
多級交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要代表是Banyan網(wǎng)絡(luò)和Clos網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在第6章中已經(jīng)介紹過，這里就不再重復(fù)。這種結(jié)構(gòu)的缺點是各個交換單元不是獨立的路由器，級間連線和各交換單元的控制十分復(fù)雜，級間連線的容*限制了系統(tǒng)的可擴展性。
3.并行交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
目前線卡輸人輸出速率的增長速度遠遠高于緩沖存儲器存取速率的增長速度。即使對輸人排隊的交換結(jié)構(gòu)來說，10Gbit/s和40Gbit/s的線卡速率都超出緩存器的存取速率。同時，輸人調(diào)度還面臨容許的調(diào)度時間隨線速增長而越來越短的問題。為了解決存儲器的存取速率限制交換網(wǎng)絡(luò)容童擴展的問題，并行分組交換（ParallelPacket Switching,PPS)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就應(yīng)運而生了。
該結(jié)構(gòu)基于反向復(fù)用（Inverse-multiplexing)和負載均衡（Load-balancing)技術(shù)，很好地解決了高性能分組交換機或路由器的交換容量受限于存儲器存取速率的問題，具有很好的擴展性，逐漸受到業(yè)界的重視。

一種典型的PPS結(jié)構(gòu)如圖7-55所示，每個端口的速率為每個輸人端口包含一個分接器（Demultiplexer），每個輸出端口包含一個復(fù)接器（Multiplexer),中間部分由一個相同的、速率較低的、獨立并行工作的分組交換模塊（或稱為“交換層面”）組成。每個低速交換模塊被所有的輸人端口共享，各自獨立地處理從輸人端口到達的一部分數(shù)據(jù)流量。分接器按照一定的規(guī)則選擇輸人分組所要通過的交換層面。因為從線速為《的外部鏈路輸人的分組通過分接器被分配到K條鏈路上，所以分接器每條輸出鏈路的速率至少應(yīng)該為R/K。分組流通過交換層面后，在輸出端口被復(fù)接器重新組合輸出。當(dāng)發(fā)生擁塞時，分組在各交換層面中排隊，等待復(fù)接器的輸出鏈路空閑時再輸出。每個輸人分接器的負載平衡判決都是獨立執(zhí)行的，各個輸人分接器之間無需相互通信，各層之間也沒有共享分復(fù)接器為了提高PPS交換網(wǎng)絡(luò)的吞吐率和減隊時延，PPS交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部鏈路必須加速，也就是使r=s（r/k）其中S被稱為內(nèi)部鏈路的加速比。S的取值范圍為1＜s＜k通常取S-l~2。

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